JP3924804B2 - 導光装置及びその製造方法並びにそれを用いた光源構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は導光装置及びその製造方法並びにそれを用いた光源構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、液晶表示装置には、液晶表示パネル自体が自己発光能力を有していないので、液晶表示パネルの裏面側にエッジライト方式のバックライトを設けたものがある。このようなバックライトには、アクリル樹脂からなる平板状の導光体の表面にきわめて小さな断面逆台形状の導光要素を多数設け、各導光要素の表面にマイクロレンズを設け、導光体の一端側に蛍光管及び反射フィルムを設けたものがある。この場合、導光体と導光要素とマイクロレンズとによって導光装置が構成されている。そして、蛍光管から出た光及び反射フィルムによって反射された光は導光体の所定の一端面から導光体の内部に入射される。この入射された光は導光体の裏面で全反射されて導光体の表面全体から散乱光として出射される。この散乱光は多数の導光要素によって導光体の表面に対して垂直な方向に向くように修正される。この修正光は多数のマイクロレンズによって導光体の表面に対してより一層垂直で互いにほぼ平行な光とされる。このほぼ平行な光は液晶表示パネルの裏面にほぼ垂直に入射される。そして、液晶表示パネルの表示駆動に応じた画像光が液晶表示パネルの表面からこの表面に対してほぼ垂直に出射され、この出射された画像光が視認されることになる。この場合、液晶表示パネルの裏面に入射される光をこの裏面に対してより一層垂直で互いにほぼ平行な光とするのは、液晶表示パネルの表面から出射される画像光によって表示される画像の正面から見た輝度を高くするためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこのようなバックライトにおける導光装置では、導光要素及びマイクロレンズのサイズがきわめて小さく、しかも光利用率を良くするには各マイクロレンズを各導光要素の表面に密着させなければならず、したがって構成がきわめて複雑となり、製造もきわめて困難であるという問題があった。
この発明の課題は、導光装置の構成を簡単にすることである。
また、この発明の他の課題は、導光装置を容易に製造することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る導光装置は、入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体とを具備し、前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着しているものである。
請求項１３記載の発明に係る導光装置の製造方法は、入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面で前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体とを具備し、前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着している導光装置の製造方法であって、前記屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して前記屈折体を形成するようにしたものである。
請求項１４記載の発明に係る導光装置の製造方法は、請求項１３記載の発明において、前記屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を前記導光体の出射面に接着するようにしたものである。
請求項１５記載の発明に係る光源構造は、入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体と、前記導光体の入射面側に設けられた光源とを具備し、前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着したものである。
【０００５】
請求項１または２０記載の発明によれば、導光体の入射面に垂直に入射した光及び斜めに入射した光の一部が導光体の出射面の入射面に対する傾斜角度に応じて面光源化されることになる。例えば、導光体の出射面の入射面に対する傾斜角度を約７８．５°〜約８４．３°とすると、導光体の出射面の面積が入射面の面積の５〜１０倍となり、この面積の拡大に応じて面光源化することができる。そして、この面光源化された光は、屈折体によって導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折されることにより、所定の方向にほぼ平行な光として出射される。この場合、屈折体としては、導光体の出射面に沿って設けられて導光体の出射面に平行な出射面を有し、導光体の出射面から出射される光を導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させる構造であればよいので、構造を簡単とすることができ、ひいては導光装置の構成を簡単にすることができる。また、請求項１８記載の発明によれば、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面を有する屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して屈折体を形成しているので、屈折体を容易に形成することができ、ひいては導光装置を容易に製造することができる。この場合、屈折体は平板状であるので、請求項１９記載の発明のように、屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を導光体の出射面に接着すればよく、ひいては導光装置をより一層容易に製造することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１実施形態を適用した液晶表示装置の要部の斜視図を示したものである。この液晶表示装置は、鉛直に配置された液晶表示パネル１を備えている。液晶表示パネル１の裏面側には、屈折体１１と導光体２１とからなる導光装置が設けられている。このうち導光体２１は、アクリル系樹脂などによって形成され、入射面２２に対して所定の角度θ1傾斜した出射面２３を有する側面直角三角形状となっている。この場合、導光体２１の出射面２３は鉛直となっている。導光体２１の入射面２２側には蛍光管（光源）３１が設けられている。蛍光管３１の所定の外周側には反射シート３２が設けられている。なお、図１では反射シート３２の幅方向両端部を導光体２１から離間させているが、導光体２１の入射面２２両側の側面に接着する方が望ましい（例えば図１６参照）。
【０００７】
次に、屈折体１１について、図２を参照しながら説明する。屈折体１１は、導光体２１と同じ材料または導光体２１と近似する屈折率を有する材料によって形成された平板状の屈折体本体１２を備えている。この屈折体本体１２の一方の面は入射面１３で、他方の面は入射面１３と平行な出射面１４となっている。そして、屈折体本体１２の内部には、入射面１３に対して所定の角度θ2（この角度θ2については後で説明する。）で傾斜する複数の板状の屈折層１５が所定の配列ピッチで形成されている。屈折層１５は屈折層本体１２と屈折率が大きく相違する空気などからなるものである。屈折層１５が空気層からなる場合には、屈折層１５の幅方向両端部（屈折体本体１２の厚さ方向両端部）は閉塞されているが、長手方向両端部は大気中に開放されている。屈折層１５は屈折体本体１２の材料（例えばアクリル系樹脂）と屈折率が大きく異なるため、屈折体本体１２との所定の界面が反射面（屈折面）１６となる。そして、屈折体１１の入射面１３は、導光体２１の出射面２３に図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着されている。この状態では、屈折体１１の出射面１４は導光体２１の出射面２３と平行となっている。なお、屈折体１１の形成方法としては、一体成形でもよいが、例えば図３に示すように、屈折体１１をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体１１ａ、１１ｂを成形し、次いでこれらの屈折体半体１１ａ、１１ｂを図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着するようにしてもよい。また、屈折体半体１１ａまたは１１ｂの厚さを２倍とし、これのみによって屈折体１１を形成するようにしてもよい。
【０００８】
ここで、屈折体１１の屈折体本体１２を導光体２１と同じ材料または導光体２１と近似する屈折率を有する材料によって形成する理由について説明する。導光体２１の材料であるアクリル系樹脂は、導光体２１の入射面２２と出射面２３とのなす角度θ1が４７°程度以上であると、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光が導光体２１の出射面２３で全反射されることになる。そこで、屈折体１１の屈折体本体１２を例えばアクリル系樹脂によって形成し、これの入射面１３を導光体２１の出射面２３にアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着すると、導光体２１の入射面２２と出射面２３とのなす角度θ1が４７°程度以上であっても、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光が導光体２１の出射面２３で全反射されることなくそのまま直進して屈折体１１の入射面１３に入射されることになる。このようにすることがその理由である。
【０００９】
次に、この液晶表示装置による画像の表示について、図１及び図２を参照しながら説明する。蛍光管３１から出た光及び反射フィルム３２によって反射された光は導光体２１の入射面２２に垂直に入射される。この場合、特に反射フィルム３２によって反射された光を導光体２１の入射面２２に垂直に入射させるために、反射シート３２は蛍光管３１の中心軸を焦点とする放物面状に設ける方が望ましい（例えば図１６参照）。導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光は、図２において矢印で示すように、導光体２１内を直進し、導光体２１の出射面２３からそのまま出射して屈折体１１の入射面１３にそのまま入射される。この場合、屈折体１１の入射面１３全体は導光体２１の出射面２３全体に密着されているので、透過率を高くすることができる。屈折体１１の入射面１３に入射された光は、屈折体１１の反射面１６で反射（屈折）され、後で説明するように、屈折体１１の出射面１４（つまり導光体２１の出射面２３）に対して垂直な光とされる。この垂直とされた光は屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して垂直な方向に平行光として出射される。この場合、屈折体１１の反射面１６の配列ピッチを例えば５０〜５００μｍ程度と微細にすると、各反射面１６で反射された光は出射面１４からムラなく出射されることになる。屈折体１１の出射面１４から出射された平行光は液晶表示パネル１の裏面に垂直に入射される。すると、液晶表示パネル１の表示駆動に応じた画像光が表面からこの表面に対して垂直な方向に出射され、この出射された画像光が視認されることになる。
【００１０】
ここで、屈折体１１の反射面１６で反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とされることについて、図４を参照しながら説明する。まず、図４において矢印で示すように、屈折体１１の反射面１６で反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光となるとする。すると、反射面１６とこの反射面１６で反射される光とのなす角度ｘ1は次の式（１）で表わされる。
ｘ1＝９０−θ2 ……（１）
また、反射面１６とこの反射面１６に入射される光とのなす角度ｘ2は次の式（２）で表わされる。
ｘ2＝９０−ｘ3 ……（２）
この場合、ｘ3＝１８０−θ1−θ2であるので、これを式（２）に代入すると、ｘ2は次の式（３）に示すようになる。
ｘ2＝θ1＋θ2−９０ ……（３）
ところで、ｘ1とｘ2は同じ値であるので、式（１）と式（３）とから次の式（４）が求められる。
θ2＝９０−θ1／２ ……（４）
したがって、屈折体１１の入射面１３と反射面１６とのなす角度θ2を（９０−θ1／２）とすると、屈折体１１の反射面１６で反射された光を屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることができることになる。
【００１１】
次に、屈折体１１の反射面１６で反射された光が面光源化されることについて、図２を参照しながら説明する。導光体２１の入射面２２に垂直に入射した後導光体２１内を直進してきた光は、屈折体１１の反射面１６で反射され、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とされる。この場合、屈折体１１の各反射面１６で反射された後屈折体１１の出射面１４から出射される各光は、屈折体１の反射面１６の配列ピッチに応じて同配列方向に相互に離間されることになる。この離間率は、導光体２１の側面における入射面２２の長さに対する出射面２３の長さで表わされる。そこで、導光体２１の入射面２２と出射面２３とのなす角度θ1を例えば約７８．５°〜約８４．３°とすると、導光体２１の側面における入射面２２の長さに対して出射面２３の長さが５〜１０倍となり、この場合の離間率も５〜１０倍となる。換言すれば、導光体２１の出射面２３の面積は入射面２２の面積の５〜１０倍となる。そして、この面積の拡大に応じて、屈折体１１の出射面１４から出射された光が面光源化されることになる。なお、図２ではθ1＝７８．５°程度としており、この場合には導光体２１の出射面２３の面積は入射面２２の面積の５倍となる。
【００１２】
このように、この液晶表示装置では、導光体２１の入射面２２に入射した光が導光体２１の出射面２３の入射面２２に対する傾斜角度θ1に応じて面光源化されることになる。そして、この面光源化された光は、屈折体１１によって所定の方向に屈折されることにより、所定の方向に平行な光として出射される。この場合、屈折体１１としては、導光体２１の出射面２３から出射される光を所定の方向に屈折させる構造であればよく、図２に示すように、アクリル系樹脂などからなる屈折体本体１２の内部に複数の板状の屈折層１５が所定の配列ピッチで形成された、簡単な構造とすることができ、ひいてはこの屈折体１１と導光体２１とからなる導光装置の構成を簡単にすることができる。また、例えば図３に示すように、屈折体１１をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体１１ａ、１１ｂを成形し、次いでこれらの屈折体半体１１ａ、１１ｂを接着して屈折体１１を形成しているので、屈折体１１を容易に形成することができ、ひいてはこの屈折体１１と導光体２１とからなる導光装置を容易に製造することができる。しかも、屈折体１１の入射面１３を導光体２１の出射面２３にアクリル系樹脂などからなる接着剤を介して接着すればよいので、導光装置をより一層容易に製造することができる。
【００１３】
ところで、蛍光管３１から出た光のすべてが導光体２１の入射面２２に垂直に入射されるとは限らない。すなわち、例えば図５に示すように、アパーチャ３３を有する蛍光管３１であっても、実線の矢印で示すように、アパーチャ３３の中心から出る光のほかに、点線の矢印で示すように、アパーチャ３３の端部から出る光が生じることになる。後者のアパーチャ３３の端部から出る光の場合には、図２に示す屈折体１１の反射面１６で反射させても、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることはできない。この結果、液晶表示パネル１の正面から見た場合、輝度が低下することになる。
【００１４】
次に、液晶表示パネル１の正面から見た場合の輝度を高めることのできるこの発明の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。この液晶表示装置における屈折体１１は、屈折層１５の形状が所定の三角柱状であって、入射面１３に対して図２に示す反射面１６の場合と同様の角度θ2で傾斜した第１の反射面１６ａと、入射面１３に対して所定の角度θ3（この角度θ3については後で説明する。）で傾斜した第２の反射面１６ｂとを備えた構造となっている。この屈折体１１の形成方法としては、上記第１実施形態の場合と同様に、一体成形でもよいが、例えば図７に示すように、屈折体１１をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体１１ａ、１１ｂを成形により形成し、次いでこれらの屈折体半体１１ａ、１１ｂを図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着するようにしてもよい。そして、図５において点線の矢印で示すように、アパーチャ３３の端部から出た光は、図６に示す導光体２１の入射面２２に斜めに入射され、次いで図６において点線の矢印で示すように、この入射された光の一部は、まず、屈折体１１の下側の屈折層１５との界面からなる第２の反射面１６ｂで反射され、次いで屈折体１１の上隣の屈折層１５との界面からなる第１の反射面１６ａで反射され、後で説明するように、屈折体１１の出射面１４（つまり導光体２１の出射面２３）に対して垂直な光とされ、この光が屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して垂直な方向に出射されることになる。図６において点線の矢印で示す光の残りは、屈折体１１の第１の反射面１６ａで反射され、屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して斜め方向に出射されることになる。
【００１５】
次に、角度θ3 について説明する。まず、図５において点線の矢印で示す光と実線で示す光との角度（蛍光管３１のアパーチャ３３の半分の角度）をθ4 とする。図６に示すように、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射された後上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａで反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光となる。換言すれば、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射されて屈折体１１の上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａに入射される光は、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光と平行な光となる。つまり、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂと導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光と平行な光とのなす角度ｘ4 （図８参照）は、図５に示す角度θ4 の半分となり、次の式（５）で表わされる。
ｘ4 ＝θ4 ／２ ……（５）
また、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射されて屈折体１１の上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａに入射される光と屈折体１１の入射面１３とのなす角度ｘ5 （図８参照）は、次の式（６）で表わされる。
ｘ5 ＝９０−θ1 ……（６）
この場合、図１４に示すように、θ3 はｘ4 とｘ5 との和であるので、式（５）と式（６）とから次の式（７）が求められる。
θ3 ＝９０−θ1 ＋θ4 ／２ ……（７）
したがって、屈折体１１の入射面１３と第２の反射面１６ｂとのなす角度θ3 を（９０−θ1 ＋θ4 ／２）とすると、図６において点線の矢印で示す光の一部を屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることができることになる。この結果、液晶表示パネルの正面から見た場合の輝度を高めることができる。ところで、図６において点線の矢印で示す光のうち屈折体１１の出射面１４から斜め方向に出射される光の出射角は、角度θ1 を７８．５°程度とし、角度θ4 を４０°とすると、２０°程度となる。
【００１６】
なお、上記実施形態では、導光体２１全体をアクリル系樹脂などの単一の材料によって形成した場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示す第３実施形態のようにしてもよい。次に、図９に示す導光体２１について、図１０〜図１３を順に参照しながら、その形成方法と併せ説明する。まず、図１０に示すように、所定の長さの光ファイバ２４を多数用意する。光ファイバ２４は、高屈折率のアクリル系樹脂からなるコア２５を低屈折率のフッ素系樹脂からなるクラッド２６で被覆したものからなっている。この場合、一例として、コア２５の直径は１０〜６０μｍ程度、クラッド２６の膜厚は５〜２０μｍ程度である。そして、図１１に示すように、例えば１５００〜２５００本程度の光ファイバ２４を束にして、直径６〜１０ｍｍ程度の光ファイバ束２７を形成する。
【００１７】
次に、図１２に示すように、内部が直方体形状の下金型２８内に複数の光ファイバ束２７を密集させて収納する。次に、下金型２８内を図示しない上金型で密封し、次いで加熱すると、光ファイバ２４のクラッド２６が溶融して膨張することにより、複数の光ファイバ束２７の各間の隙間が埋められ、下金型２８と上金型内に多数のコア２５がクラッド２６によって相互に接合されて充満される。これにより、図１３（Ａ）に示すような直方体形状の光ファイバブロック２９が得られる。この場合、光ファイバブロック２９の外周部を除く部分における各光ファイバ束２７は、金型内において相互に押圧し合うことにより、図１３（Ｂ）に示すように、平面正六角形状となる。なお、下金型２８内を上金型で密封する前に、複数の光ファイバ束２７の各間の隙間にクラッド２６と同じ材料または異なる材料を充填するようにしてもよい。次に、図１３（Ａ）において一点鎖線で示すように、光ファイバブロック２９の所定の側面の対角線に沿って切断すると、図９に示す側面直角三角形状の導光体２１が得られる。このようにして得られた導光体２１では、多数のコア（線状導光路）２５が密集され、かつ各コア２５がクラッド２６により被覆されているとともに相互に接合され、さらに出射面２３を入射面２２に対して所定の角度θ1で傾斜する傾斜面とされた構造となっている。
【００１８】
なお、導光体２１の他の形成方法としては、図１０に示す光ファイバ２４として所定の長さよりも数倍長いものを用意し、これによって図１３（Ａ）に示すようなファイバブロック２９を形成した後、これを切断して図１３（Ａ）に示すファイバブロック２９を複数得るようにしてもよい。また、コア２５を押出成形により形成した後、例えば１５００〜２５００本程度のコア２５の束をクラッド材の溶融した槽中を通過させ、付着したクラッド材が固化することにより、図１１に示す光ファイバ束２７を得るようにしてもよい。上述のいずれの形成方法でも、多数のコア２５を密集してなる導光体２１を容易に形成することができる。一方、屈折体１１の屈折体本体１２は、導光体２１のコア２５と同じ材料またはコア２５と近似する屈折率を有する材料によって形成されている。
【００１９】
そして、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光は、図９において矢印で示すように、導光体２１の各コア２５内をコア中心軸に沿って直進し、導光体２１の出射面２３からそのまま出射して屈折体１１の入射面１３にそのまま入射される。この入射された光は、屈折体１１の反射面１６で反射（屈折）され、屈折体１１の出射面１４（つまり導光体２１の出射面２３）に対して垂直な光とされる。この垂直とされた光は屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して垂直な方向に平行光として出射される。
【００２０】
ところで、図９に示す場合には、導光体２１を多数のコア２５を密集してなるものによって形成しているので、図１に示す単一の材料からなる導光体２１と比較して、各コア２５内を進行する光の平行度を高めることができ、ひいては液晶表示パネルの正面から見た輝度を高めることができる。しかしながら、図９に示す場合も、例えば図１に示す蛍光管３１から出た光のすべてが導光体２１の入射面に垂直に入射されるとは限らない。ただし、この場合、図１４に示すように、導光体２１の各コア２５の光取り込み角が小さくても、実線で示すように、コア２５内をコア中心軸に沿って直進する光のほかに、点線で示すように、コア２５内を全反射を繰り返しながら進行する光が生じることになる。後者のコア２５内を全反射を繰り返しながら進行する光の場合には、図９に示す屈折体１１の反射面１６で反射させても、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることはできない。したがって、この場合も、液晶表示パネルの正面から見た輝度が低下することになる。
【００２１】
そこで、次に、図６に示す場合とほぼ同様の屈折体１１を備えたこの発明の第４実施形態について、図１５を参照しながら説明する。ただし、ここでは、この場合の屈折体１１の第２の反射面１６ｂの入射面１３に対する傾斜角度θ3のみについて説明する。まず、図１４において点線の矢印で示すように、導光体２１のコア２５内を全反射しながら進行する光の最大全反射角度をθ5とする。この最大全反射角度θ5はコア２５及びクラッド２６の材料によって決まる。図１５に示すように、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射された後上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａで反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光となる。換言すると、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射されて屈折体１１の上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａに入射される光は、導光体２１のコア２５のコア中心軸と平行な光となる。つまり、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂとコア中心軸と平行な光とのなす角度ｘ4（図８の場合と同じであるので、図８参照）は、導光体２１のコア２５の最大全反射角度θ5の半分（ｘ4＝θ5／２）となる。したがって、上記式（７）に示す場合と同様に、屈折体１１の入射面１３と第２の反射面１６ｂとのなす角度θ3を（９０−θ1＋θ5／２）とすると、図１５において点線の矢印で示すように、導光体２１のコア２５内を全反射を繰り返しながら進行してきた光の一部を屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることができることになる。この結果、液晶表示パネルの正面から見た場合の輝度を高めることができる。
【００２２】
次に、図１６はこの発明の第５実施形態を適用した液晶表示装置の要部の側面図及びその一部の拡大断面図を示したものである。この液晶表示装置では、導光体２１の出射面２３が階段状に傾斜する傾斜面とされ、その実質的な出射面２３を導光体２１の入射面２２と平行とされ、この出射面２３と液晶表示パネル１との間に屈折体１１が配置されている。この場合の導光体２１の形成方法としては、例えば図９に示す導光体２１を形成した後に、図９に示す出射面２３を階段状に切削する方法がある。なお、階段状の部分のピッチはなるべく小さい方が望ましい。例えば、上記切削による形成方法の場合には、実質的な出射面２３の幅を０．０５〜０．５ｍｍ程度とすると、この幅内に数本〜数十本のコア２５が配置されることになる。ところで、この場合の屈折体１１としては、図９や図１５に示すようなものであってもよく、また図１７に示すようなものであってもよい。図１７に示す屈折体１１では、ポリカーボネイトなどからなる樹脂フィルムの一方の面の全体に横長のプリズム部４１が５０μｍ程度のきわめて小さい配列ピッチで平行に形成された構造となっている。この場合、図１７において矢印で示すように、導光体２１の各コア２５内をコア中心軸に沿って直進した光は、屈折体１１のプリズム部４１の下面からなる入射面４１ａに入射され、プリズム部４１の上面からなる反射面４１ｂで反射（屈折）され、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とされ、プリズム部４１の配列方向に離間されることになる。ところで、図１７に示す屈折体１１の場合には、樹脂フィルムの一方の面の全体に横長のプリズム部４１を有する簡単な構造であるので、図９及び図１５に示す屈折体１１と比較して、容易に形成することができる。なお、この場合の導光体２１の他の形成方法としては、図１８に示す第６実施形態のように、一の面が平面で他の面側を階段状とされたシート部材４２を導光体２１のコア２５と同じ材料またはコア２５と近似する屈折率を有する材料によって形成し、このシート部材４２の平面を導光体２１の出射面２３に図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着するようにしてもよい。また、図１６に示す形状の導光体２１をアクリル系樹脂などの単一の材料によって形成するようにしてもよい。
【００２３】
なお、上記実施形態では、プラスチック光ファイバを用いているが、高屈折率のガラスからなるコアを低屈折率のガラスからなるクラッドで被覆してなるガラス光ファイバを用いてもよい。また、上述のようなステップ形光ファイバではなく、グレーデッド形光ファイバを用いてもよい。また、上記実施形態では、例えば図２に示すように、屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対してほぼ垂直な方向に光を出射させる場合について説明したが、反射面１６の入射面１３に対する角度θ2を例えばプラス方向またはマイナス方向に若干変えれば、液晶表示パネルの正面側のある視点での輝度を高めることができる。また、上記実施形態では、例えば図２に示すように、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光を屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対してほぼ垂直な方向に出射させる場合について説明したが、この光の進行方向を逆方向としてもよい。すなわち、屈折体１１の出射面１４に垂直に入射された光を導光体２１の入射面２２からこの入射面２２に対して垂直な方向に出射させるようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、ほぼ平行な光を出射する場合について説明したが、散乱光を出射する場合には、例えば図１９に示す第７実施形態のように、屈折体１１の出射面１４の全体に、きわめて微小なレンズ部（図示せず）を多数密接させてなる拡散層４３を直接成形して一体に形成するようにしてもよい。また、このような拡散層４３の代わりに、図示していないが、樹脂シートの一方の面の全体にきわめて微小なレンズ部を多数密接させて形成してなる拡散板を用い、この拡散板を屈折体１１の出射面１４に接着し、あるいは密接させてまたは所定の間隔をおいて配置するようにしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２０記載の発明によれば、屈折体を導光体の出射面に沿って設けられて導光体の出射面に平行な出射面を有し、導光体の出射面から出射される光を導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させる構造とすればよいので、構造を簡単とすることができ、ひいては導光装置の構成を簡単にすることができる。また、請求項１８記載の発明によれば、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面を有する屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して屈折体を形成しているので、屈折体を容易に形成することができ、ひいては導光装置を容易に製造することができる。この場合、屈折体は平板状であるので、請求項１９記載の発明のように、屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を導光体の出射面に接着すればよく、ひいては導光装置をより一層容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態を適用した液晶表示装置の要部の斜視図。
【図２】図１に示す導光体及び屈折体の一部の縦断側面図。
【図３】図２に示す屈折体の形成方法の一例を説明するために示す図。
【図４】図２に示す屈折体の反射面の入射面に対する角度θ2を説明するために示す図。
【図５】アパーチャを有する蛍光管を説明するために示す図。
【図６】この発明の第２実施形態の図２同様の縦断側面図。
【図７】図６に示す屈折体の形成方法の一例を説明するために示す図。
【図８】図６に示す屈折体の第２の反射面の入射面に対する角度θ3を説明するために示す図。
【図９】この発明の第３実施形態の図２同様の縦断側面図。
【図１０】図９に示す導光体の形成に際し、当初用意した光ファイバを示す斜視図。
【図１１】図１０に続く形成工程であって、光ファイバ束を形成した状態を示す斜視図。
【図１２】図１１に続く形成工程であって、複数の光ファイバ束を下金型内に収納した状態を示す斜視図。
【図１３】（Ａ）は図１２に続く形成工程であって、光ファイバブロックを形成した状態を示す斜視図、（Ｂ）はその一部の平面図。
【図１４】導光体のコアの特性を説明するために示す図。
【図１５】この発明の第４実施形態の図２同様の縦断側面図。
【図１６】この発明の第５実施形態を適用した液晶表示装置の要部の側面図及びその一部の拡大断面図。
【図１７】図１６に示す屈折体を説明するために示す図。
【図１８】この発明の第６実施形態の要部の側面図。
【図１９】この発明の第７実施形態の図２同様の縦断側面図。
【符号の説明】
１ 液晶表示パネル
１１ 屈折体
２１ 導光体
３１ 蛍光管（光源）
【発明の属する技術分野】
この発明は導光装置及びその製造方法並びにそれを用いた光源構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、液晶表示装置には、液晶表示パネル自体が自己発光能力を有していないので、液晶表示パネルの裏面側にエッジライト方式のバックライトを設けたものがある。このようなバックライトには、アクリル樹脂からなる平板状の導光体の表面にきわめて小さな断面逆台形状の導光要素を多数設け、各導光要素の表面にマイクロレンズを設け、導光体の一端側に蛍光管及び反射フィルムを設けたものがある。この場合、導光体と導光要素とマイクロレンズとによって導光装置が構成されている。そして、蛍光管から出た光及び反射フィルムによって反射された光は導光体の所定の一端面から導光体の内部に入射される。この入射された光は導光体の裏面で全反射されて導光体の表面全体から散乱光として出射される。この散乱光は多数の導光要素によって導光体の表面に対して垂直な方向に向くように修正される。この修正光は多数のマイクロレンズによって導光体の表面に対してより一層垂直で互いにほぼ平行な光とされる。このほぼ平行な光は液晶表示パネルの裏面にほぼ垂直に入射される。そして、液晶表示パネルの表示駆動に応じた画像光が液晶表示パネルの表面からこの表面に対してほぼ垂直に出射され、この出射された画像光が視認されることになる。この場合、液晶表示パネルの裏面に入射される光をこの裏面に対してより一層垂直で互いにほぼ平行な光とするのは、液晶表示パネルの表面から出射される画像光によって表示される画像の正面から見た輝度を高くするためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこのようなバックライトにおける導光装置では、導光要素及びマイクロレンズのサイズがきわめて小さく、しかも光利用率を良くするには各マイクロレンズを各導光要素の表面に密着させなければならず、したがって構成がきわめて複雑となり、製造もきわめて困難であるという問題があった。
この発明の課題は、導光装置の構成を簡単にすることである。
また、この発明の他の課題は、導光装置を容易に製造することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る導光装置は、入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体とを具備し、前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着しているものである。
請求項１３記載の発明に係る導光装置の製造方法は、入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面で前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体とを具備し、前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着している導光装置の製造方法であって、前記屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して前記屈折体を形成するようにしたものである。
請求項１４記載の発明に係る導光装置の製造方法は、請求項１３記載の発明において、前記屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を前記導光体の出射面に接着するようにしたものである。
請求項１５記載の発明に係る光源構造は、入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体と、前記導光体の入射面側に設けられた光源とを具備し、前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着したものである。
【０００５】
請求項１または２０記載の発明によれば、導光体の入射面に垂直に入射した光及び斜めに入射した光の一部が導光体の出射面の入射面に対する傾斜角度に応じて面光源化されることになる。例えば、導光体の出射面の入射面に対する傾斜角度を約７８．５°〜約８４．３°とすると、導光体の出射面の面積が入射面の面積の５〜１０倍となり、この面積の拡大に応じて面光源化することができる。そして、この面光源化された光は、屈折体によって導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折されることにより、所定の方向にほぼ平行な光として出射される。この場合、屈折体としては、導光体の出射面に沿って設けられて導光体の出射面に平行な出射面を有し、導光体の出射面から出射される光を導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させる構造であればよいので、構造を簡単とすることができ、ひいては導光装置の構成を簡単にすることができる。また、請求項１８記載の発明によれば、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面を有する屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して屈折体を形成しているので、屈折体を容易に形成することができ、ひいては導光装置を容易に製造することができる。この場合、屈折体は平板状であるので、請求項１９記載の発明のように、屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を導光体の出射面に接着すればよく、ひいては導光装置をより一層容易に製造することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１実施形態を適用した液晶表示装置の要部の斜視図を示したものである。この液晶表示装置は、鉛直に配置された液晶表示パネル１を備えている。液晶表示パネル１の裏面側には、屈折体１１と導光体２１とからなる導光装置が設けられている。このうち導光体２１は、アクリル系樹脂などによって形成され、入射面２２に対して所定の角度θ1傾斜した出射面２３を有する側面直角三角形状となっている。この場合、導光体２１の出射面２３は鉛直となっている。導光体２１の入射面２２側には蛍光管（光源）３１が設けられている。蛍光管３１の所定の外周側には反射シート３２が設けられている。なお、図１では反射シート３２の幅方向両端部を導光体２１から離間させているが、導光体２１の入射面２２両側の側面に接着する方が望ましい（例えば図１６参照）。
【０００７】
次に、屈折体１１について、図２を参照しながら説明する。屈折体１１は、導光体２１と同じ材料または導光体２１と近似する屈折率を有する材料によって形成された平板状の屈折体本体１２を備えている。この屈折体本体１２の一方の面は入射面１３で、他方の面は入射面１３と平行な出射面１４となっている。そして、屈折体本体１２の内部には、入射面１３に対して所定の角度θ2（この角度θ2については後で説明する。）で傾斜する複数の板状の屈折層１５が所定の配列ピッチで形成されている。屈折層１５は屈折層本体１２と屈折率が大きく相違する空気などからなるものである。屈折層１５が空気層からなる場合には、屈折層１５の幅方向両端部（屈折体本体１２の厚さ方向両端部）は閉塞されているが、長手方向両端部は大気中に開放されている。屈折層１５は屈折体本体１２の材料（例えばアクリル系樹脂）と屈折率が大きく異なるため、屈折体本体１２との所定の界面が反射面（屈折面）１６となる。そして、屈折体１１の入射面１３は、導光体２１の出射面２３に図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着されている。この状態では、屈折体１１の出射面１４は導光体２１の出射面２３と平行となっている。なお、屈折体１１の形成方法としては、一体成形でもよいが、例えば図３に示すように、屈折体１１をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体１１ａ、１１ｂを成形し、次いでこれらの屈折体半体１１ａ、１１ｂを図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着するようにしてもよい。また、屈折体半体１１ａまたは１１ｂの厚さを２倍とし、これのみによって屈折体１１を形成するようにしてもよい。
【０００８】
ここで、屈折体１１の屈折体本体１２を導光体２１と同じ材料または導光体２１と近似する屈折率を有する材料によって形成する理由について説明する。導光体２１の材料であるアクリル系樹脂は、導光体２１の入射面２２と出射面２３とのなす角度θ1が４７°程度以上であると、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光が導光体２１の出射面２３で全反射されることになる。そこで、屈折体１１の屈折体本体１２を例えばアクリル系樹脂によって形成し、これの入射面１３を導光体２１の出射面２３にアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着すると、導光体２１の入射面２２と出射面２３とのなす角度θ1が４７°程度以上であっても、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光が導光体２１の出射面２３で全反射されることなくそのまま直進して屈折体１１の入射面１３に入射されることになる。このようにすることがその理由である。
【０００９】
次に、この液晶表示装置による画像の表示について、図１及び図２を参照しながら説明する。蛍光管３１から出た光及び反射フィルム３２によって反射された光は導光体２１の入射面２２に垂直に入射される。この場合、特に反射フィルム３２によって反射された光を導光体２１の入射面２２に垂直に入射させるために、反射シート３２は蛍光管３１の中心軸を焦点とする放物面状に設ける方が望ましい（例えば図１６参照）。導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光は、図２において矢印で示すように、導光体２１内を直進し、導光体２１の出射面２３からそのまま出射して屈折体１１の入射面１３にそのまま入射される。この場合、屈折体１１の入射面１３全体は導光体２１の出射面２３全体に密着されているので、透過率を高くすることができる。屈折体１１の入射面１３に入射された光は、屈折体１１の反射面１６で反射（屈折）され、後で説明するように、屈折体１１の出射面１４（つまり導光体２１の出射面２３）に対して垂直な光とされる。この垂直とされた光は屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して垂直な方向に平行光として出射される。この場合、屈折体１１の反射面１６の配列ピッチを例えば５０〜５００μｍ程度と微細にすると、各反射面１６で反射された光は出射面１４からムラなく出射されることになる。屈折体１１の出射面１４から出射された平行光は液晶表示パネル１の裏面に垂直に入射される。すると、液晶表示パネル１の表示駆動に応じた画像光が表面からこの表面に対して垂直な方向に出射され、この出射された画像光が視認されることになる。
【００１０】
ここで、屈折体１１の反射面１６で反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とされることについて、図４を参照しながら説明する。まず、図４において矢印で示すように、屈折体１１の反射面１６で反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光となるとする。すると、反射面１６とこの反射面１６で反射される光とのなす角度ｘ1は次の式（１）で表わされる。
ｘ1＝９０−θ2 ……（１）
また、反射面１６とこの反射面１６に入射される光とのなす角度ｘ2は次の式（２）で表わされる。
ｘ2＝９０−ｘ3 ……（２）
この場合、ｘ3＝１８０−θ1−θ2であるので、これを式（２）に代入すると、ｘ2は次の式（３）に示すようになる。
ｘ2＝θ1＋θ2−９０ ……（３）
ところで、ｘ1とｘ2は同じ値であるので、式（１）と式（３）とから次の式（４）が求められる。
θ2＝９０−θ1／２ ……（４）
したがって、屈折体１１の入射面１３と反射面１６とのなす角度θ2を（９０−θ1／２）とすると、屈折体１１の反射面１６で反射された光を屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることができることになる。
【００１１】
次に、屈折体１１の反射面１６で反射された光が面光源化されることについて、図２を参照しながら説明する。導光体２１の入射面２２に垂直に入射した後導光体２１内を直進してきた光は、屈折体１１の反射面１６で反射され、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とされる。この場合、屈折体１１の各反射面１６で反射された後屈折体１１の出射面１４から出射される各光は、屈折体１の反射面１６の配列ピッチに応じて同配列方向に相互に離間されることになる。この離間率は、導光体２１の側面における入射面２２の長さに対する出射面２３の長さで表わされる。そこで、導光体２１の入射面２２と出射面２３とのなす角度θ1を例えば約７８．５°〜約８４．３°とすると、導光体２１の側面における入射面２２の長さに対して出射面２３の長さが５〜１０倍となり、この場合の離間率も５〜１０倍となる。換言すれば、導光体２１の出射面２３の面積は入射面２２の面積の５〜１０倍となる。そして、この面積の拡大に応じて、屈折体１１の出射面１４から出射された光が面光源化されることになる。なお、図２ではθ1＝７８．５°程度としており、この場合には導光体２１の出射面２３の面積は入射面２２の面積の５倍となる。
【００１２】
このように、この液晶表示装置では、導光体２１の入射面２２に入射した光が導光体２１の出射面２３の入射面２２に対する傾斜角度θ1に応じて面光源化されることになる。そして、この面光源化された光は、屈折体１１によって所定の方向に屈折されることにより、所定の方向に平行な光として出射される。この場合、屈折体１１としては、導光体２１の出射面２３から出射される光を所定の方向に屈折させる構造であればよく、図２に示すように、アクリル系樹脂などからなる屈折体本体１２の内部に複数の板状の屈折層１５が所定の配列ピッチで形成された、簡単な構造とすることができ、ひいてはこの屈折体１１と導光体２１とからなる導光装置の構成を簡単にすることができる。また、例えば図３に示すように、屈折体１１をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体１１ａ、１１ｂを成形し、次いでこれらの屈折体半体１１ａ、１１ｂを接着して屈折体１１を形成しているので、屈折体１１を容易に形成することができ、ひいてはこの屈折体１１と導光体２１とからなる導光装置を容易に製造することができる。しかも、屈折体１１の入射面１３を導光体２１の出射面２３にアクリル系樹脂などからなる接着剤を介して接着すればよいので、導光装置をより一層容易に製造することができる。
【００１３】
ところで、蛍光管３１から出た光のすべてが導光体２１の入射面２２に垂直に入射されるとは限らない。すなわち、例えば図５に示すように、アパーチャ３３を有する蛍光管３１であっても、実線の矢印で示すように、アパーチャ３３の中心から出る光のほかに、点線の矢印で示すように、アパーチャ３３の端部から出る光が生じることになる。後者のアパーチャ３３の端部から出る光の場合には、図２に示す屈折体１１の反射面１６で反射させても、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることはできない。この結果、液晶表示パネル１の正面から見た場合、輝度が低下することになる。
【００１４】
次に、液晶表示パネル１の正面から見た場合の輝度を高めることのできるこの発明の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。この液晶表示装置における屈折体１１は、屈折層１５の形状が所定の三角柱状であって、入射面１３に対して図２に示す反射面１６の場合と同様の角度θ2で傾斜した第１の反射面１６ａと、入射面１３に対して所定の角度θ3（この角度θ3については後で説明する。）で傾斜した第２の反射面１６ｂとを備えた構造となっている。この屈折体１１の形成方法としては、上記第１実施形態の場合と同様に、一体成形でもよいが、例えば図７に示すように、屈折体１１をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体１１ａ、１１ｂを成形により形成し、次いでこれらの屈折体半体１１ａ、１１ｂを図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着するようにしてもよい。そして、図５において点線の矢印で示すように、アパーチャ３３の端部から出た光は、図６に示す導光体２１の入射面２２に斜めに入射され、次いで図６において点線の矢印で示すように、この入射された光の一部は、まず、屈折体１１の下側の屈折層１５との界面からなる第２の反射面１６ｂで反射され、次いで屈折体１１の上隣の屈折層１５との界面からなる第１の反射面１６ａで反射され、後で説明するように、屈折体１１の出射面１４（つまり導光体２１の出射面２３）に対して垂直な光とされ、この光が屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して垂直な方向に出射されることになる。図６において点線の矢印で示す光の残りは、屈折体１１の第１の反射面１６ａで反射され、屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して斜め方向に出射されることになる。
【００１５】
次に、角度θ3 について説明する。まず、図５において点線の矢印で示す光と実線で示す光との角度（蛍光管３１のアパーチャ３３の半分の角度）をθ4 とする。図６に示すように、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射された後上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａで反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光となる。換言すれば、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射されて屈折体１１の上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａに入射される光は、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光と平行な光となる。つまり、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂと導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光と平行な光とのなす角度ｘ4 （図８参照）は、図５に示す角度θ4 の半分となり、次の式（５）で表わされる。
ｘ4 ＝θ4 ／２ ……（５）
また、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射されて屈折体１１の上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａに入射される光と屈折体１１の入射面１３とのなす角度ｘ5 （図８参照）は、次の式（６）で表わされる。
ｘ5 ＝９０−θ1 ……（６）
この場合、図１４に示すように、θ3 はｘ4 とｘ5 との和であるので、式（５）と式（６）とから次の式（７）が求められる。
θ3 ＝９０−θ1 ＋θ4 ／２ ……（７）
したがって、屈折体１１の入射面１３と第２の反射面１６ｂとのなす角度θ3 を（９０−θ1 ＋θ4 ／２）とすると、図６において点線の矢印で示す光の一部を屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることができることになる。この結果、液晶表示パネルの正面から見た場合の輝度を高めることができる。ところで、図６において点線の矢印で示す光のうち屈折体１１の出射面１４から斜め方向に出射される光の出射角は、角度θ1 を７８．５°程度とし、角度θ4 を４０°とすると、２０°程度となる。
【００１６】
なお、上記実施形態では、導光体２１全体をアクリル系樹脂などの単一の材料によって形成した場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示す第３実施形態のようにしてもよい。次に、図９に示す導光体２１について、図１０〜図１３を順に参照しながら、その形成方法と併せ説明する。まず、図１０に示すように、所定の長さの光ファイバ２４を多数用意する。光ファイバ２４は、高屈折率のアクリル系樹脂からなるコア２５を低屈折率のフッ素系樹脂からなるクラッド２６で被覆したものからなっている。この場合、一例として、コア２５の直径は１０〜６０μｍ程度、クラッド２６の膜厚は５〜２０μｍ程度である。そして、図１１に示すように、例えば１５００〜２５００本程度の光ファイバ２４を束にして、直径６〜１０ｍｍ程度の光ファイバ束２７を形成する。
【００１７】
次に、図１２に示すように、内部が直方体形状の下金型２８内に複数の光ファイバ束２７を密集させて収納する。次に、下金型２８内を図示しない上金型で密封し、次いで加熱すると、光ファイバ２４のクラッド２６が溶融して膨張することにより、複数の光ファイバ束２７の各間の隙間が埋められ、下金型２８と上金型内に多数のコア２５がクラッド２６によって相互に接合されて充満される。これにより、図１３（Ａ）に示すような直方体形状の光ファイバブロック２９が得られる。この場合、光ファイバブロック２９の外周部を除く部分における各光ファイバ束２７は、金型内において相互に押圧し合うことにより、図１３（Ｂ）に示すように、平面正六角形状となる。なお、下金型２８内を上金型で密封する前に、複数の光ファイバ束２７の各間の隙間にクラッド２６と同じ材料または異なる材料を充填するようにしてもよい。次に、図１３（Ａ）において一点鎖線で示すように、光ファイバブロック２９の所定の側面の対角線に沿って切断すると、図９に示す側面直角三角形状の導光体２１が得られる。このようにして得られた導光体２１では、多数のコア（線状導光路）２５が密集され、かつ各コア２５がクラッド２６により被覆されているとともに相互に接合され、さらに出射面２３を入射面２２に対して所定の角度θ1で傾斜する傾斜面とされた構造となっている。
【００１８】
なお、導光体２１の他の形成方法としては、図１０に示す光ファイバ２４として所定の長さよりも数倍長いものを用意し、これによって図１３（Ａ）に示すようなファイバブロック２９を形成した後、これを切断して図１３（Ａ）に示すファイバブロック２９を複数得るようにしてもよい。また、コア２５を押出成形により形成した後、例えば１５００〜２５００本程度のコア２５の束をクラッド材の溶融した槽中を通過させ、付着したクラッド材が固化することにより、図１１に示す光ファイバ束２７を得るようにしてもよい。上述のいずれの形成方法でも、多数のコア２５を密集してなる導光体２１を容易に形成することができる。一方、屈折体１１の屈折体本体１２は、導光体２１のコア２５と同じ材料またはコア２５と近似する屈折率を有する材料によって形成されている。
【００１９】
そして、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光は、図９において矢印で示すように、導光体２１の各コア２５内をコア中心軸に沿って直進し、導光体２１の出射面２３からそのまま出射して屈折体１１の入射面１３にそのまま入射される。この入射された光は、屈折体１１の反射面１６で反射（屈折）され、屈折体１１の出射面１４（つまり導光体２１の出射面２３）に対して垂直な光とされる。この垂直とされた光は屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対して垂直な方向に平行光として出射される。
【００２０】
ところで、図９に示す場合には、導光体２１を多数のコア２５を密集してなるものによって形成しているので、図１に示す単一の材料からなる導光体２１と比較して、各コア２５内を進行する光の平行度を高めることができ、ひいては液晶表示パネルの正面から見た輝度を高めることができる。しかしながら、図９に示す場合も、例えば図１に示す蛍光管３１から出た光のすべてが導光体２１の入射面に垂直に入射されるとは限らない。ただし、この場合、図１４に示すように、導光体２１の各コア２５の光取り込み角が小さくても、実線で示すように、コア２５内をコア中心軸に沿って直進する光のほかに、点線で示すように、コア２５内を全反射を繰り返しながら進行する光が生じることになる。後者のコア２５内を全反射を繰り返しながら進行する光の場合には、図９に示す屈折体１１の反射面１６で反射させても、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることはできない。したがって、この場合も、液晶表示パネルの正面から見た輝度が低下することになる。
【００２１】
そこで、次に、図６に示す場合とほぼ同様の屈折体１１を備えたこの発明の第４実施形態について、図１５を参照しながら説明する。ただし、ここでは、この場合の屈折体１１の第２の反射面１６ｂの入射面１３に対する傾斜角度θ3のみについて説明する。まず、図１４において点線の矢印で示すように、導光体２１のコア２５内を全反射しながら進行する光の最大全反射角度をθ5とする。この最大全反射角度θ5はコア２５及びクラッド２６の材料によって決まる。図１５に示すように、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射された後上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａで反射された光が屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光となる。換言すると、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂで反射されて屈折体１１の上隣の屈折層１５の第１の反射面１６ａに入射される光は、導光体２１のコア２５のコア中心軸と平行な光となる。つまり、屈折体１１の下側の屈折層１５の第２の反射面１６ｂとコア中心軸と平行な光とのなす角度ｘ4（図８の場合と同じであるので、図８参照）は、導光体２１のコア２５の最大全反射角度θ5の半分（ｘ4＝θ5／２）となる。したがって、上記式（７）に示す場合と同様に、屈折体１１の入射面１３と第２の反射面１６ｂとのなす角度θ3を（９０−θ1＋θ5／２）とすると、図１５において点線の矢印で示すように、導光体２１のコア２５内を全反射を繰り返しながら進行してきた光の一部を屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とすることができることになる。この結果、液晶表示パネルの正面から見た場合の輝度を高めることができる。
【００２２】
次に、図１６はこの発明の第５実施形態を適用した液晶表示装置の要部の側面図及びその一部の拡大断面図を示したものである。この液晶表示装置では、導光体２１の出射面２３が階段状に傾斜する傾斜面とされ、その実質的な出射面２３を導光体２１の入射面２２と平行とされ、この出射面２３と液晶表示パネル１との間に屈折体１１が配置されている。この場合の導光体２１の形成方法としては、例えば図９に示す導光体２１を形成した後に、図９に示す出射面２３を階段状に切削する方法がある。なお、階段状の部分のピッチはなるべく小さい方が望ましい。例えば、上記切削による形成方法の場合には、実質的な出射面２３の幅を０．０５〜０．５ｍｍ程度とすると、この幅内に数本〜数十本のコア２５が配置されることになる。ところで、この場合の屈折体１１としては、図９や図１５に示すようなものであってもよく、また図１７に示すようなものであってもよい。図１７に示す屈折体１１では、ポリカーボネイトなどからなる樹脂フィルムの一方の面の全体に横長のプリズム部４１が５０μｍ程度のきわめて小さい配列ピッチで平行に形成された構造となっている。この場合、図１７において矢印で示すように、導光体２１の各コア２５内をコア中心軸に沿って直進した光は、屈折体１１のプリズム部４１の下面からなる入射面４１ａに入射され、プリズム部４１の上面からなる反射面４１ｂで反射（屈折）され、屈折体１１の出射面１４に対して垂直な光とされ、プリズム部４１の配列方向に離間されることになる。ところで、図１７に示す屈折体１１の場合には、樹脂フィルムの一方の面の全体に横長のプリズム部４１を有する簡単な構造であるので、図９及び図１５に示す屈折体１１と比較して、容易に形成することができる。なお、この場合の導光体２１の他の形成方法としては、図１８に示す第６実施形態のように、一の面が平面で他の面側を階段状とされたシート部材４２を導光体２１のコア２５と同じ材料またはコア２５と近似する屈折率を有する材料によって形成し、このシート部材４２の平面を導光体２１の出射面２３に図示しないアクリル系樹脂からなる接着剤を介して接着するようにしてもよい。また、図１６に示す形状の導光体２１をアクリル系樹脂などの単一の材料によって形成するようにしてもよい。
【００２３】
なお、上記実施形態では、プラスチック光ファイバを用いているが、高屈折率のガラスからなるコアを低屈折率のガラスからなるクラッドで被覆してなるガラス光ファイバを用いてもよい。また、上述のようなステップ形光ファイバではなく、グレーデッド形光ファイバを用いてもよい。また、上記実施形態では、例えば図２に示すように、屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対してほぼ垂直な方向に光を出射させる場合について説明したが、反射面１６の入射面１３に対する角度θ2を例えばプラス方向またはマイナス方向に若干変えれば、液晶表示パネルの正面側のある視点での輝度を高めることができる。また、上記実施形態では、例えば図２に示すように、導光体２１の入射面２２に垂直に入射された光を屈折体１１の出射面１４からこの出射面１４に対してほぼ垂直な方向に出射させる場合について説明したが、この光の進行方向を逆方向としてもよい。すなわち、屈折体１１の出射面１４に垂直に入射された光を導光体２１の入射面２２からこの入射面２２に対して垂直な方向に出射させるようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、ほぼ平行な光を出射する場合について説明したが、散乱光を出射する場合には、例えば図１９に示す第７実施形態のように、屈折体１１の出射面１４の全体に、きわめて微小なレンズ部（図示せず）を多数密接させてなる拡散層４３を直接成形して一体に形成するようにしてもよい。また、このような拡散層４３の代わりに、図示していないが、樹脂シートの一方の面の全体にきわめて微小なレンズ部を多数密接させて形成してなる拡散板を用い、この拡散板を屈折体１１の出射面１４に接着し、あるいは密接させてまたは所定の間隔をおいて配置するようにしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２０記載の発明によれば、屈折体を導光体の出射面に沿って設けられて導光体の出射面に平行な出射面を有し、導光体の出射面から出射される光を導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させる構造とすればよいので、構造を簡単とすることができ、ひいては導光装置の構成を簡単にすることができる。また、請求項１８記載の発明によれば、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面を有する屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して屈折体を形成しているので、屈折体を容易に形成することができ、ひいては導光装置を容易に製造することができる。この場合、屈折体は平板状であるので、請求項１９記載の発明のように、屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を導光体の出射面に接着すればよく、ひいては導光装置をより一層容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態を適用した液晶表示装置の要部の斜視図。
【図２】図１に示す導光体及び屈折体の一部の縦断側面図。
【図３】図２に示す屈折体の形成方法の一例を説明するために示す図。
【図４】図２に示す屈折体の反射面の入射面に対する角度θ2を説明するために示す図。
【図５】アパーチャを有する蛍光管を説明するために示す図。
【図６】この発明の第２実施形態の図２同様の縦断側面図。
【図７】図６に示す屈折体の形成方法の一例を説明するために示す図。
【図８】図６に示す屈折体の第２の反射面の入射面に対する角度θ3を説明するために示す図。
【図９】この発明の第３実施形態の図２同様の縦断側面図。
【図１０】図９に示す導光体の形成に際し、当初用意した光ファイバを示す斜視図。
【図１１】図１０に続く形成工程であって、光ファイバ束を形成した状態を示す斜視図。
【図１２】図１１に続く形成工程であって、複数の光ファイバ束を下金型内に収納した状態を示す斜視図。
【図１３】（Ａ）は図１２に続く形成工程であって、光ファイバブロックを形成した状態を示す斜視図、（Ｂ）はその一部の平面図。
【図１４】導光体のコアの特性を説明するために示す図。
【図１５】この発明の第４実施形態の図２同様の縦断側面図。
【図１６】この発明の第５実施形態を適用した液晶表示装置の要部の側面図及びその一部の拡大断面図。
【図１７】図１６に示す屈折体を説明するために示す図。
【図１８】この発明の第６実施形態の要部の側面図。
【図１９】この発明の第７実施形態の図２同様の縦断側面図。
【符号の説明】
１ 液晶表示パネル
１１ 屈折体
２１ 導光体
３１ 蛍光管（光源）
Claims (18)
- 入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体とを具備し、
前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、
前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着していることを特徴とする導光装置。 - 請求項１記載の発明において、前記導光体はアクリル系樹脂などの単一の材料からなることを特徴とする導光装置。
- 請求項２記載の発明において、前記屈折体は屈折面を形成するための屈折層を有し、該屈折層以外を前記導光体と同じ材料またはこの導光体と近似する屈折率を有する材料によって形成されていることを特徴とする導光装置。
- 請求項３記載の発明において、前記屈折体の屈折面は空気層との界面であることを特徴とする導光装置。
- 請求項１記載の発明において、前記導光体は密集された多数の線状導光路を有するものからなることを特徴とする導光装置。
- 請求項５記載の発明において、前記屈折体は屈折面を形成するための屈折層を有し、該屈折層以外を前記導光体の線状導光路と同じ材料またはこの線状導光路と近似する屈折率を有する材料によって形成されていることを特徴とする導光装置。
- 請求項５または６記載の発明において、前記導光体の線状導光路は光ファイバのコアからなることを特徴とする導光装置。
- 請求項５〜７のいずれかに記載の発明において、前記屈折体の屈折面は空気層との界面であることを特徴とする導光装置。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記導光体は側面直角三角形状であることを特徴とする導光装置。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の発明において、前記導光体の入射面と出射面とのなす角度は約７８．５°〜約８４．３°であることを特徴とする導光装置。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載の発明において、前記屈折体の出射面に拡散層が一体に形成されていることを特徴とする導光装置。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載の発明において、前記屈折体の出射面側に拡散板が設けられていることを特徴とする導光装置。
- 入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、平板状であって内部に設けられた空気層との界面からなる屈折面で前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体とを具備し、
前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射 面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、
前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着している導光装置の製造方法であって、前記屈折体をその厚さ方向に分割してなる形状の屈折体半体を成形し、次いでこれらの屈折体半体を接着して前記屈折体を形成することを特徴とする導光装置の製造方法。 - 請求項１３記載の発明において、前記屈折体を形成した後、この屈折体の入射面を前記導光体の出射面に接着することを特徴とする導光装置の製造方法。
- 入射面とこの入射面に対して傾斜する出射面とを有する導光体と、この導光体の出射面に沿って設けられ、前記導光体の出射面に平行な出射面を有し、前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に垂直に入射される光の一部及び前記導光体の出射面から出射される、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部を前記導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折させて、屈折体の出射面から出射する屈折体と、前記導光体の入射面側に設けられた光源とを具備し、
前記屈折体の内部に含まれる複数の所定形状の屈折層の界面反射を利用するものであって、前記所定形状の屈折層は前記導光体の出射面に対して異なる角度で傾斜する第１の反射面および第２の反射面を有し、前記導光体の入射面に垂直に入射される光は第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面に斜めに入射される光の一部は、複数の屈折層のうちのいずれか一つの屈折層の第２の反射面により反射された後に隣り合う他の屈折層の第１の反射面により反射されて導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向に屈折され、前記導光体の入射面と出射面のなす角度が９０°未満で、前記導光体の出射面と前記屈折体の入射面とが密着していることを特徴とする光源構造。 - 請求項２〜１２のいずれかに記載の導光装置の導光体の入射面側に光源が設けられていることを特徴とする光源構造。
- 請求項１５または１６記載の発明において、前記光源は所定のアパーチャを有することを特徴とする光源構造。
- 請求項１５または１６記載の発明において、前記光源の外周側に反射シートが前記光源の中心軸を焦点とする放物面状に設けられていることを特徴とする光源構造。
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